专利名称：超声电解复合微细加工方法及装置的制作方法
所属领域本发明的超声电解复合微细加工方法及装置属于复合微细加工领域。
背景技术：
在微细加工领域，有许多微细加工方法及相应的加工设备。然而，现有微细加工方法在各具优点的同时，亦各有一定的局限性。如微细电火花加工表面层质量、加工精度及效率受到放电机理的制约；激光加工是热加工，热因素对精度影响较大；电子束、离子束加工均需在真空中进行，设备投资成本太高；超声加工对硬脆性材料异形小孔、沟槽加工有较高的加工精度与效率，但工具有损耗，特别是加工高深度比的零件及在材料面积、韧性较大时，效率、精度显著降低；电化学加工是以“分子”为单位的加工，比其它特种加工方法更具微精加工机理优势，具有实现微细加工甚至是nm级加工的研究前景。其中基于电化学阴极沉积的精密微细电铸技术可制作形状复杂、精度很高的细小零件，在LIGA技术中已发挥重要作用，但其有材料可铸性、废品率较高及效率较低的问题；基于电化学阳极溶解的电解加工由于大电流时的杂散腐蚀作用，精度较难控制，而微电流电解由于钝化作用，加工过程难以持续。目前有将超声与电解复合用于大电流密度下的高速大去除量加工，提高了加工过程的稳定性，提高了加工精度与效率，但将二者有机结合用于微加工器件的微细加工方法，国内外目前未见有成功报导。
发明内容
本发明是提供一种超声电解复合微细加工方法及装置，将超声、电解两种方法有机复合，扬长避短，一方面为克服单纯超声微细加工时工具损耗严重及在材料面积、韧性较大时，效率、精度显著降低的问题，一方面为解决微电流密度下单一电解微细加工过程难以持续的问题，最终达到提高微细加工精度及效率，并保持高的表面质量。
1、一种超声电解复合微细加工方法，它由以下步骤组成首先要初步加工微细工具阴极外形，将初步加工的工具阴极与制作的变幅杆连接后，进行整体精加工，以保证工具阴极的精加工精度和安装精度。电解加工时将微加工器件固定在工作台上，工作台可以实现X、Y微位移及转动，同时借助测量显微镜进行精确位置定位。加工过程中，微加工器件与工具阴极之间保持一固定的微压力。微压力可在0.10N--1.00N范围内微细调节。微压力利用液压连通器原理产生，微细调节为精密砝码调节方式。微加工器件与工具阴极间采用静态方式供给含有微细磨料的钝化性电解液，即将微加工器件与工具阴极浸入含有微细磨料的钝化性电解液中进行加工。微加工器件与工具阴极间采用能产生钝化效应的1-3V微电压，并可连续调节。在1-3v微电压的电解作用下，电解电流密度微小，产生钝化效应，微加工器件表面将产生钝化膜，阻止电解作用持续进行，防止产生杂散腐蚀。此时，引入超声振动，超声波振动驱动装置驱动变幅杆带动工具阴极沿轴向产生超声频振动，实现电解作用与超声作用的复合。由超声波振动产生的液压冲击波使电解液及微细磨料产生对微加工器件加工面的抛磨及负压空化作用，消除电解钝化膜，并将加工产物及时从加工区排除，同时自动更新电解液，实现持续的超声电解微细加工。
电解电源可以为独立的直流电源或独立的脉冲电源，或与超声波振动同步协调的脉冲电源。其中与超声波振动同步协调的脉冲电源，是利用超声波电源产生的超声频交变电信号通过调制电路调制，产生电解直流电压的斩波信号，使电解直流电压成为与工具阴极超声频振动保持相位有序同步的脉冲电压。在工具阴极振动与微加工器件振动接近区间加电解脉冲，在振动分离区间为电解脉冲间隔，这可使微细加工过程同产物排除及电解液更新过程交替进行，更有利于改善微细加工精度。
微细组合电加工方法制作阴极包括以下步骤多轴联动数控加工方法加工变幅杆，初步加工好阴极外形，并精加工完成二者连接螺纹；变幅杆与阴极用精密螺纹连接，再采用微细组合电加工方法进行精加工；在四轴联动精密电火花机床上用片状电极x向、y向联合进给，配以主轴旋转或不旋转微细放电方式，加工出任意截面的微细轴类阴极；微细工具头中的孔可由制作的微细轴为电极来再次放电加工；直线槽用快或慢走丝线切割方式加工；用组合电加工方式制作出反拷电极块，再在精密电火花机床上用微细平动法反拷加工出各种轴截面类阴极。
2、一种超声电解复合微细加工装置，包括能够实现x、y方向微位移及转动的工作台，由工具阴极、微加工器件、电解电源及钝化性电解液组成的电解装置，由超声波电源、超声波换能器、变幅杆组成的超声波振动驱动装置。
所述的电解电源为独立式直流电源或独立式脉冲电源或与超声波振动同步协调的脉冲电源，其中与超声波振动同步协调的脉冲电源是指电解电源与超声波电源之间有一个调制电路。调制电路包括与超声波电源连接的电压幅值调节器，电压幅值调节器输出端连接电压比较电路的输入端，光电耦合电路输入端连接电压比较电路的输出端，光电耦合电路输出端连接电解电源内部功率晶体管；电解电源可以利用功率晶体管，还可以利用MOS场效应管实现直流斩波作用，完成直流电压到脉冲电压的转换。
所述的超声电解复合微细加工装置还包括一个电解电流测量分析装置，该装置由一个将电解电流转换为电压信号的串接在工具阴极、微加工器件、电解电源、钝化性电解液所组成的电解回路中的电流传感器、输入端与电流传感器相连的数字存储示波器、与数字存储示波器输出端相连的PC微机组成。
所述的超声电解复合微细加工装置还包括一个微压力调节与Z向自动进给测量装置，该装置由连通器压力油箱、与连通器压力油箱相连的连通器导管、安装在连通器压力油箱上端的连通器活塞杆、安装在连通器活塞杆上的精密微细砝码以及用于测量工作台Z向位移的深度测微仪组成。
本发明的有益效果超声电解复合微细加工，超声作用主要去除的是电解钝化膜，磨料粒度可以很微细，硬度不要求很高，可使用nm级微粉，从而可最大限度地减小超声加工工具损耗，大幅度提高微细加工精度，减小粗糙度。
电解微细加工需采用钝化性电解液，电解钝化膜能被控制在局部进行有选择的蚀除，提高电解加工的定域性。
另外低浓度钝化性电解液，不具污染性，且在超声频振动、微电流电解作用时采用静态供液即可，便于实现清洁、绿色制造。
综上超声与电解复合微细加工方法在机理上具有独特的优越性，更适合于微细加工，对微细加工工艺的完善及MEMS微加工器件的加工具有重要意义。
图1为超声电解复合微细加工装置示意图。其中标号意义如下1-变幅杆、2-工具阴极、3-钝化性电解液、4-微加工器件、5-工作台、6-连通器密封圈、7-装置底座、8-纵向工作台、9-横向工作台、10-深度测微仪、11-精密微细砝码、12-连通器活塞杆、13-连通器压力油箱、14-连通器导管、15-电解电源、16-功率晶体管、17-调制电路、18-超声波电源、19-超声波换能器、20-电流传感器、21-数字存储示波器、22-PC微机。
图2为超声系统组成框图。
图3为调制电路原理图。图3中符号名称TU-电压幅值调节器、IC-电压比较器、M-光电耦合器。
具体实施例方式
图1是本发明的一种超声电解复合微细加工装置示意图。包括电解装置、超声波振动驱动装置、工作台、微压力调节与Z向自动进给及测量装置、电解电流测量分析装置。
电解装置由工具阴极2、电解电源15、微加工器件4及钝化性电解液3组成。其中，钝化性电解液3充满在工具阴极2与微加工器件4之间，含有微细磨料。电解电源15负极与工具阴极2相连，正极与微加工器件4相连。微加工器件4固定在工作台5上。工作台5可以实现X、Y微位移移动及转动，并借助测量显微镜进行精确位置定位。
微压力调节与Z向自动进给测量装置由连通器压力油箱13、与连通器压力油箱13相连的连通器导管14、与连通器压力油箱13上端相连的连通器活塞杆12、安装在连通器活塞杆12上的精密微细砝码11以及用于测量工作台5的Z向位移的深度测微仪10组成。工具阴极2与微加工器件4之间微压力可通过精密微细砝码11实现精确微细调节。加工开始后，随着加工深度增加，工作台5在液压力作用下自动向上进给，保持微加工器件4与工具阴极2之间恒定的微压力。工具阴极2与微加工器件4之间的间隙随超声频振动作周期性变化，微加工器件4加工深度由深度测微仪10给出。
电解电流测量分析装置由一个将电解电流转换为电压信号的电流传感器20、数字存储示波器21、PC微机22组成的。加工中数字存储示波器21，将电压信号通过串行口传送到PC微机22便于中测量、显示、存储，以便对加工过程进行进一步优化分析，进行参数优选控制。
电解电源15为独立式直流电源或独立式脉冲电源或与超声波振动同步协调的脉冲电源。其中与超声波振动同步协调的脉冲电源是指电解电源15与超声波电源18之间有一个调制电路17。工作原理是调制电路17将超声波电源18产生的超声频交变电信号转换为电解直流电源的斩波信号，使电解直流电压成为与工具阴极2超声频振动保持相位有序同步的脉冲电压，当工具阴极2振动与微加工器件4接近区间加电解脉冲，振动分开区间为电解脉冲间隔，使微细加工过程同产物排除及电解液更新过程交替进行，更有利于改善微细加工精度。
根据图1和图2，可知超声波振动驱动装置由由超声波电源18、超声波换能器19、变幅杆1所组成。工作时，工具阴极2沿轴向产生超声频振动。超声波振动驱动装置是具有自动频率跟踪的正反馈放大器，利用电子管工作的不稳定性产生原始工作信号，通过L、C选频回路，选出有用信号，由电子管G2激励放大，其信号频率为换能器的工作频率，电子管G3、G4组成推挽功率放大器，调谐指示器可调节指示输入功率，磁化电源提供换能器直流电流，以消除超声振动倍频现象。超声波换能器19采用磁致伸缩式镍材振子，机械强度高、性能稳定，利用其磁致伸缩效应将电能转变成超声频机械振动，经变幅杆放大，传到工具头端面进行超声加工。调节激振电容，将振动频率调至系统共振点，可得到最大振幅。本系统功率可在5-250W之间在线连续调整。
图3为调制电路原理图。调制电路包括与超声波电源连接的电压幅值调节器TU，电压幅值调节器TU输出端连接电压比较电路的输入端，光电耦合电路输入端连接电压比较电路的输出端，光电耦合电路输出端连接电解电源内部功率晶体管。
调制电路将超声波电源产生的交变电信号通过电压幅值调节器将高电压转变成低电压信号后，接入电压比较电路的比较输入端，R3、R2大小决定比较基准电压，比较输出结果决定是否产生光电耦合作用。
当超声频电信号通过电压幅值调节器与比较器标准电压相比较，当结果大于标准设定值时，比较器将输出高电位，光电二极管发光，产生光电耦合作用，光敏三极管导通，电解电源内部的功率晶体管饱和导通导致电解回路闭合，产生电解作用，而此时超声频电信号为高电平，变幅杆与阴极振动为接近区间，即在振动接近处产生电解作用。
反之超声频电信号通过电压幅值调节器与比较器标准电压相比较，当结果小于标准设定值时，比较器将输出低电位，光电二极管不发光，不产生光电耦合作用，光敏三极管不导通，电解电源内部的功率晶体管截止导致电解回路断开，电解作用处于间歇区，此时超声频电信号为低电平，变幅杆与阴极振动在回退区间，进行产物排除与电解液的循环更新。
综上此调制回路能实现超声振动与电解作用的协调同步，有利于改善加工过程，提高加工精度与表面质量。
注这里的电压比较器可选用高速集成电压比较器J630，以避免波形滞后。下面举三个实施例例一φ0.20mm微细轴阴极在YT硬质合金上加工微细孔加工过程首先进行阴极制作采用多轴联动数控加工方法加工变幅杆，初步加工好工具阴极外形，并精加工完成二者连接螺纹，用蓖麻油耦合；变幅杆与阴极用精密螺纹连接后，再采用微细组合电加工方法进行精加工；在四轴联动精密电火花机床上用片状电极x向、y向联合进给，配以主轴旋转微细放电方式，可加工出轴向无锥度的φ0.20mm微细轴阴极。
将YT硬质合金材料用双面胶固接于与装置绝缘的微工作台上，将精加后的微细阴极与变幅杆用螺纹连接在换能器末端，接合面之间用浓度高的蓖蔴油耦合，以减少超声能量损失。用阴极试加工方法，通过可移位测量显微镜来标定微加工器件与阴极之间的位置，通过纵、横及旋转工作台找正阴极与加工点的位置。选择静压力0.10N，、超声功率约50W、脉冲电源电压1V、频率5000Hz、占空比3∶7、磨料400#碳化硅，加工开始前在加工充分注入浓度约20％磨料悬浮液；电解液为5％的硝酸钠水溶液。加工开始前，先打开超声机电源，功率调节到设定值，频率调至共振点，示波器记录约20.80KHz；准备工作完成，关闭液压油连通器空气开关，工作台将自动上升与阴极保持恒定的接触压力；加工开始，工作台将随加工深度增加而上升。
实际加工计时1分钟后，小孔深度达到0.09mm，实测平均直径为φ0.223mm尺寸精度可稳定达±0.02mm，圆度精度可达±0.002mm，表面粗糙度Ra0.10μm，电极损耗率＜5％。
其它条件相同，采用单一超声加工，加工1分钟后，小孔深度只达到0.05mm，尺寸精度可达±0.03mm，圆度精度可达±0.003mm，电极损耗率＞13％。
采用直流1V加工，其它条件相同，1分钟后，小孔深度可达到0.18mm，尺寸精度可稳定达±0.03mm，圆度精度可达±0.002mm，电极损耗率＜8％.
综上分析采用直流1V加工可达到最好的加工效率；采用脉冲电压可有效提高尺寸精度、圆度精度并减小电极损耗率，但加工效率没有直流好。单一超声加工实际效果较差。
通过对示波器检测的PC机记录的电流信号分析，脉冲加工电化学电流信号为5000HZ，表明每个脉冲持续期间，电解作用一次，加工与间隔过程交替进行，有利于改善加工过程，提高精度。
实例二用有φ0.60mm内孔的φ3.0mm圆柱阴极在YG硬质合金上套料加工微细轴同上，加工过程首先进行阴极制作，采用多轴联动数控加工方法加工变幅杆，初步加工好工具阴极外形，并精加工完成二者连接螺纹后，变幅杆与阴极连接后，在四轴联动精密电火花机床上用片状电极x向、y向联合进给，配以主轴旋转微细放电方式，可加工出无锥度的φ3.0mm微细轴阴极；阴极端部的φ0.60mm内孔可由制作的略小于φ0.60mm微细轴为电极来再次放电加工；采用直流电压2V、磨料1600#碳化硅；静压力0.80N；磨料悬浮液浓度20％；电解液为4％的硝酸钠水溶液，在硬质合金YG15上用带φ0.60mm内孔的φ3.0mm圆柱阴极进行超声电解复合套料加工，操作步骤与上述加工方式一相同。
加工10分钟后得到的小圆轴平均直径为φ0.585mm，长约1.85mm，尺寸精度达到±0.015mm，实测小轴的圆度精度可稳定达到±0.002mm，表面粗糙度Ra0.08μm，而电极损耗率＜5％。
由上分析，电解电压在1V基础上增加为2V，电解作用增强，磨料可选择愈细，加工精度愈高，而对加工效率影响不大。这与一般超声加工不同，根本原因是由于加工机理不同而造成的。表面粗糙度值亦略有改善。
通过对示波器检测、PC机记录的电流信号分析，电流信号为脉动信号，周期为20.830KHz，与超声振动共振频率对应，这表明电化学作用与超声振动频率相同，接近区电流增大，分离区电流下降。
实例三 用宽0.2×0.4mm的十字槽在硬质合金材料上加工十字筋立方体结构同理加工过程首先进行阴极制作采用多轴联动数控加工方法加工变幅杆，初步加工好工具阴极外形，并精加工完成二者连接螺纹；变幅杆与阴极用螺纹连接后，再采用微细组合电加工方法进行精加工；在四轴联动精密电火花机床上用片状电极x向、y向联合进给，配以主轴旋转微细放电方式，可加工出轴向无锥度的φ3.0mm微细轴阴极，宽0.2×0.4mm十字筋采用慢走丝线切割方式精确加工而成。
采用幅值3V、频率5000HZ，占空比50％的脉冲电压，磨料1600#碳化硅；静压力1.00N；磨料悬浮液浓度20％；电解液为3％的硝酸钠水溶液，在硬质合金YT8上用带内十字槽宽0.2×0.4mm直径φ3.0mm圆柱电极进行超声电解复合套料加工，操作步骤与上述加工方式一相同。
加工10分钟后，加工十字筋深度达长约2.20mm，十字筋窄端0.1843mm，加工尺寸精度达到±0.015mm，实测十字筋窄端宽度精度可稳定达到±0.002mm，表面粗糙度Ra0.10μm，而电极损耗率＜8％。
综上实例分析本发明构造的超声电解复合微细加工装置经过一系列工艺试验验证，工作稳定、可靠，试验结果重复性好。超声复合微电流电解工艺在保持电解高效率的基础上，具有超声加工较理想的精度，实测加工件的形状精度很高，如加工的小孔、轴圆度，凸台尺寸宽度精度可达0.002-0.003mm；同时随着电压在1-3V范围内增大，电解作用增强，超声磨料粒度可选择更微细，可使电极损耗大大减小，这对批量生产及加工精度的进一步提高具有重要意义。
还可以用组合电加工方式制作出反拷电极块，再在精密电火花机床上用微细平动法反拷加工出各种轴截面类阴极。
要扩大、深入研究超声电解复合微细加工在微加工器件制作中的应用，还需进一步完善微细加工装置，采用更细粒度磨粉(nm级或不用磨料)进行更微细的加工试验，最大限度减小超声磨料对加工件尺寸精度的影响，最大限度地减小电极损耗，进行精度要求更高、结构更微细的微加工器件的加工试验。
超声电解复合微细加工的现有研究已展示了其工艺优势及进一步的研究前景，相信通过不断完善，该技术有望成为一种效率高、精度好，经济性佳的微细加工新工艺，在MEMS微加工器件制造中发挥重要作用。
权利要求
1.一种超声电解复合微细加工方法，其特征在于(1)、微细组合电加工方法制作阴极；(2)、加工过程中，微器件与阴极之间保持恒定大小的微压力，微压力在0.10N-1.00N范围内微细调节；(3)、微器件固定在工作台上，工作台可实现x，y微位移及转动，同时借助测量显微镜进行精确位置定位；(4)、微器件与阴极间采用静态方式供给含有微细磨料的钝化性电解液，即将微器件与阴极浸入电解液中，在微电压的电解作用下微器件表面产生阻止电解作用持续进行的钝化膜，而超声振动冲击波使电解液产生对微器件加工面的抛磨及负压空化作用，消除电解钝化膜并将加工产物及时从加工区排除，同时自动更新电解液，实现持续的超声电解微细加工；(5)、微器件与阴极间采用能产生钝化效应的1-3V微电压，并可连续调节；(6)、超声装置驱动阴极沿轴向产生超声频振动，超声作用与电解作用相互复合，实现微器件的超声电解复合微细加工；(7)、电解电源为独立的直流电源或独立的脉冲电源或与超声波振动同步协调的脉冲电源，其中与超声波振动同步协调的脉冲电源是利用超声波电源产生的超声频交变电信号通过调制电路调制，产生电解直流电压的斩波信号，使电解直流电压与阴极超声频振动保持相位有序同步，在阴极振动与微器件接近区间加电解脉冲，在振动分开区间为电解脉冲间隔，使微细加工过程同产物排除及电解液更新过程交替进行，更有利于改善微细加工精度。
2.根据权利要求1所述的超声电解复合微细加工方法，其特征在于所述微细组合电加工方法制作阴极包括以下步骤(1)、多轴联动数控加工方法加工变幅杆，初步加工好阴极外形，并精加工完成二者连接螺纹；(2)、变幅杆与阴极用精密螺纹连接，再采用微细组合电加工方法进行精加工；在四轴联动精密电火花机床上用片状电极x向、y向联合进给，配以主轴旋转或不旋转微细放电方式，加工出任意截面的微细轴类阴极；微细阴极头中的孔可由制作的微细轴为电极来再次放电加工；直线槽用快或慢走丝线切割方式加工；用组合电加工方式制作出反拷电极块，再在精密电火花机床上用微细平动法反拷加工出各种轴截面类阴极。
3.根据权利要求1所述的超声电解复合微细加工方法，其特征在于(1)、所述的微器件与阴极之间保持的微压力是利用液压连通原理产生的；(2)、所述的微压力微细调节采用精密砝码调节方式。
4.一种超声电解复合微细加工装置，包括能够实现x、y方向微位移及转动的工作台(5)，由工具阴极(2)、微加工器件(4)、电解电源(15)及钝化性电解液(3)组成电解装置，由超声波电源(18)、超声波换能器(19)、变幅杆(1)组成的超声波振动驱动装置，其特征是(1)、所述的电解电源(15)为独立式直流电源或独立式脉冲电源或与超声波振动同步协调的脉冲电源，其中与超声波振动同步协调的脉冲电源是指电解电源(15)与超声波电源(18)之间串接一个调制电路(17)，调制电路(17)包括与超声波电源(18)连接的电压幅值调节器(TU)，电压幅值调节器(TU)输出端连接电压比较电路的输入端，光电耦合电路输入端连接电压比较电路的输出端，光电耦合电路输出端连接电解电源(15)内部功率晶体管(16)；(2)、所述的超声电解复合微细加工装置还包括一个电解电流测量分析装置，该装置由一个将加工过程电流转换为电压信号的串接在工具阴极(2)、微加工器件(4)、电解电源(15)、钝化性电解液(3)所组成的电解回路中的电流传感器(20)，输入端与电流传感器(20)相连的数字存储示波器(21)，与数字存储示波器(21)输出端相连的PC微机(22)组成；(3)、所述的超声电解复合微细加工装置还包括一个微压力调节与Z向自动进给测量装置，该装置由连通器压力油箱(13)、与连通器压力油箱(13)相连的连通器导管(14)、安装在连通器压力油箱(13)上端的连通器活塞杆(12)、安装在连通器活塞杆(12)上的精密微细砝码(11)以及用于测量工作台(5)Z向位移的深度测微仪(10)组成。
全文摘要
一种超声电解复合微细加工方法及装置，属于复合微细加工领域。它将超声、电解两种加工方法有机复合，完成微器件加工，即将微器件与阴极浸入含有微细磨料的钝化性电解液中，因微电压电解使微器件表面生成钝化膜，阻止电解作用持续进行。而超声振动冲击波使电解液及磨料产生对加工面的抛磨及负压空化作用，消除电解钝化膜并将加工产物及时从加工区排除，使得电解加工持续进行。通过调制方式还可使电解电压与阴极振动相位有序同步，实现加工过程与产物排除及电解液更新交替进行。装置中包括电解装置、超声波振动驱动装置、工作台、微压力调节与Z向自动进给测量装置、电解电流测量分析装置。本方法具有精度、效率高、成本低及表面质量好的优点。
文档编号B23H5/10GK1824444SQ20061003790
公开日2006年8月30日 申请日期2006年1月20日 优先权日2006年1月20日
发明者朱永伟, 云乃彰, 沈茂松, 陈安骏, 吴冰洁 申请人:南京航空航天大学